ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 2, с. 69-74
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 533.9.082.5
ДИАГНОСТИКА ТОМСОНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ В ДИВЕРТОРЕ
ТОКАМАКА ИТЭР
© 2008 г. Е. Е. Мухин, |Г. Т. Раздобарин|, M. M. Кочергин,
С. Ю. Толстяков, В. В. Семенов, Г. С. Курскиев, К. А. Подушникова
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Россия, 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26 E-mail: e.mukhin@mail.ioffe.ru Поступила в редакцию 04.07.2007 г.
Представлены результаты разработки диагностического комплекса для исследования режимов работы дивертора в токамаке - реакторе ИТЭР - методом томсоновского рассеяния с целью измерения пространственных распределений электронной температуры и концентрации. Выбрана структура диагностического комплекса, представленного классической схемой, а также системой ЛИДАР высокого разрешения с возможностью доступа к различным участкам диверторной плазмы. Сложная радиационная обстановка, ограниченный доступ к плазме в диверторной камере ИТЭР, а также сильная запыленность диверторного объема материалом эрозии диверторных пластин создают немало проблем для диагностики в условиях, не имеющих аналогов на действующих установках токамак. Предложены и проанализированы различные методы защиты оптических поверхностей от плазменного воздействия и продемонстрирована их эффективность в стендовых экспериментах. Обоснована и выбрана концепция лазерной и детекторной аппаратуры, а также дифракционных полихроматоров, рассчитанных на разные диапазоны электронных температур с нижним пределом 1 эВ.
РДСБ: 52.70.-m, 52.70.Gw
ВВЕДЕНИЕ
Основное предназначение дивертора, играющего важнейшую роль в обеспечении режима наилучшего удержания, состоит в том, чтобы экранировать стенку от потока энергии из основной плазмы. Поток энергии, направляемый в ди-вертор, достигает диверторных пластин лишь частично, так что большая часть его оказывается переизлученной примесными атомами внутри диверторного объема. Для того чтобы понять происходящее и, в частности, локализацию областей плазмы с высокой переизлучаемой мощностью, необходимо знать пространственное распределение электронной температуры. В связи с этим приоритетной задачей является измерение пространственного распределения электронной температуры плазмы в зоне расположения диверторных пластин. Для обнаружения и исследования процесса объемной рекомбинации необходимо распространить измерения на область низких электронных температур, вблизи 1 эВ.
Другой приоритетной задачей диагностики является измерение пространственных распределений температуры и концентрации электронов вдоль хорды по большому радиусу на периферии шнура в районе Х-точки. Специфика этой области связана с нулевым значением полоидального поля. Именно здесь ожидаются высокие потоки
нейтральных и примесных атомов в плазму. Измерения в этой области важны также для контроля вертикального равновесия плазмы, от чего во многом зависит поток тепла на диверторные пластины [1].
ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ И СБОРА РАССЕЯННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
На рис. 1 штриховыми линиями показан ход лучей лазерного зондирования и сбора рассеянного излучения для двух систем томсоновского рассеяния. Для исследования плазмы в полости дивертора на наружном обходе камеры используется классическая схема диагностики томсоновского рассеяния. Лазерный пучок проходит криостат и вакуумную перегородку диверторного порта через соединительные горизонтальные патрубки с вакуумными окнами диаметром ~100 мм. Доступ к плазме осуществляется через щелевой зазор между двумя смежными кассетами в основании дивертора с использованием поворотного оптического устройства.
Выбор типа рефлектора в основании дивертора весьма ограничен. По конфигурации это может быть либо призма из диэлектрического материала, либо металлическое зеркало. Этот элемент
Диагностика томсоновского рассеяния в наружной диверторной ноге
Рис. 1. Ход лучей (штриховые линии) лазерного зондирования и сбора рассеянного излучения для двух систем томсоновского рассеяния.
подвержен наибольшему риску, поэтому должен обладать высокой лазерной прочностью, стойкостью к нейтронному и у-излучению и распылению быстрыми атомами перезарядки. Кроме того, необходимо обеспечить высокую теплопроводность для эффективного отвода тепла через грани, находящиеся в контакте с охлаждаемыми элементами конструкции. Для металлических зеркал по совокупности таких характеристик, как коэффици-
Коэффициент распыления, атом/атом
10-1
10-2 10-3 10-4 10-5 10-6
10
1-7
-■-Си —о— ЗЮ2 --А-- А1203
-V— Аморфный углерод
10°
101 102 103 Энергия атомов дейтерия, эВ
Рис. 2. Коэффициенты распыления быстрыми атомами дейтерия аморфного углерода, меди, сапфира и кварца [2].
ент отражения, лазерная прочность и стойкость к нейтронному облучению, наиболее подходящим материалом является медь. Из диэлектриков для выполнения данной задачи целесообразно выбирать между кварцем и сапфиром.
На рис. 2 приведены данные по распылению быстрыми атомами дейтерия предлагаемых материалов. Анализ рисунка показывает, что коэффициенты распыления атомами дейтерия кварца и меди, а также аморфного углерода примерно совпадают и составляют около одного атома на сто атомов дейтерия, ускоренных до энергии 100 эВ. Коэффициент распыления сапфира ускоренными атомами дейтерия ниже и составляет один атом на тысячу атомов дейтерия с энергией 100 эВ. Сапфир также предпочтителен по теплопроводности, температуре плавления и пределу механической прочности. Вопрос деградации лазерной прочности в результате нейтронного облучения рефлектором требует более детального изучения.
Для защиты рефлектора от плазменного напыления предусмотрена возможность напуска дейтерия с целью создания локальной области избыточного давления и направленного газового потока. Методика защиты от напыления встречным потоком газа в вакууме при давлении Па проверена в ходе стендовых испытаний. Система сбора рассеянного излучения работает в линейном угле 1/15. В качестве первого зеркала для сбора рассеянного излучения используются зеркала размером 300 х 450 мм, покрытые металлом
с высоким коэффициентом отражения. В настоящее время рассматриваются варианты с использованием Аи, Ag, Си, А1, ЯИ. Для сбора рассеянного излучения доступ к плазме со стороны дивер-торного порта осуществляется через щелевой зазор между кассетами с увеличенной до 20 мм шириной. Изображение лазерного луча шириной 3-5 мм передается в свете рассеянного в плазме излучения на входные торцы волоконных жгутов с числовой апертурой МЛ ~ 0.36. При этом аберрационные искажения в краевых точках, наиболее удаленных от оси системы, уширяют изображение лазерного луча 0.5 мм не более чем на 20%. Для передачи изображения через границу вакуума на торец волокна предполагается использовать согласующую линзовую оптику.
Расчетные параметры диагностической системы для энергии зондирования ~1.5 Дж на длине волны 1064 нм приведены в табл. 1.
На рис. 3 приведены результаты компьютерного моделирования рабочих режимов дивертора с различной степенью изоляции диверторной пластины от потока плазмы. Как видно из рисунка, классическая схема диагностики томсоновского рассеяния с ходом лучей, изображенным на рис. 1, позволяет надежно контролировать режимы с разной степенью изоляции пластин от потока плазмы вплоть до полного отрыва плазмы от диверторной пластины (нижняя кривая на рис. 3).
Доступ к плазме диагностической системы ЛИДАР предусмотрен через сквозное отверстие размером 20 х 20 см в верхней части кассеты, как это изображено на рис. 1. Для удобства юстировки диагностической системы ЛИДАР обычно рассматривают единую зеркальную систему, используемую как для транспортировки зондирующего пучка, так и для сбора рассеянного излучения. Такая система имеет существенное ограничение, связанное с лазерной прочностью зеркал, главным образом первого зеркала, подверженного плазменному воздействию. В предлагаемой схеме первое зеркало имеет сквозное отверстие диаметром ~60 мм для ввода лазерного пучка. Это означает, что остальные зеркальные поверхности, предназначенные для сбора рассеянного излучения, не используются для формирования лазерного пучка.
Собираемое из района Х-точки в линейном угле 1/15 рассеянное излучение передается системой из четырех зеркал в плоскость, совмещенную с вакуумной перегородкой, при масштабном уменьшении 1:1.25 раза.
Предельная длина хорды зондирования в системе диагностики ЛИДАР обычно ограничена размером изображения детектора в плазме [3]. При расчете предполагалось, что щелевой фото-
Таблица 1
Характеристики Электронная концентрация пе, м-3 Электронная температура Те, эВ
Диапазон изменений 1019-1022 1-200
Временное разрешение, мс 50 50
Пространственное разрешение, мм:
вдоль лазерного пучка 50 50
поперек лазерного пучка 3-10 3-10
Точность, % 5 10
катод размером 20 х 1 мм хронографической камеры преобразуется волоконным трансформатором в круглое отверстие диаметром ~5 мм, которое затем проецируется в плазму в пятно диаметром около 60 мм. В этом случае предельная длина хорды зондирования, ограниченная концевыми потерями света, не превышающими 50%, составляет ~1800 мм, что согласуется с поперечными размерами плазмы на входе в дивертор.
Те, эВ
100 г
80
60
40
20 -
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Расстояние вдоль оси зондирования, м
Рис. 3. Расчетные распределения электронной температуры вдоль оси зондирования для режимов работы дивертора с разной степенью изоляции диверторных пластин от потока плазмы вплоть до полного отрыва плазмы от диверторной пластины (нижняя кривая). Расстояние вдоль оси зондирования отсчитано от крайней верхней точки, доступной для наблюдения со стороны диверторного порта.
Таблица 2
Электронная Электронная
Характеристики концентрация температура
пе, м-3 Те, эВ
Диапазон изменений 1019-1021 10-3000
Временное разреше- 50 50
ние, мс
Пространственное 50 50
разрешение, мм
Точность, % 5 10
Расчетные параметры диагностической системы для энергии зондирования ~1.5 Дж представлены в табл. 2.
ТРЕБОВАНИЯ К ЛАЗЕРНОЙ И ДЕТЕКТОРНОЙ АППАРАТУРАМ
Рассматриваемые к
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.